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News: Käfig aus Silizium

Fullerene gibt es mittlerweile in Hülle und Fülle mit ganz unterschiedlichen Eigenschaften. Allerdings bestanden die ballförmigen Moleküle bislang immer aus einem geschlossenen Kohlenstoffgitter, das eventuell ein anderes Atome umgab. Nun gelang es einer Forschergruppe, eine ähnliche Struktur aus Siliziumatomen herzustellen und so ganz neue Perspektiven für Bauelemente und den Quantencomputer zu eröffnen.
Mitte der achtziger Jahre fanden Robert Curl, Harold Kroto und Richard Smalley heraus, dass Kohlenstoffatome neben den bekannten Modifikationen auch geschlossene fußballartige Moleküle ausbilden können – die so genannten Buckminster-Fullerene oder einfach nur Fullerene (Nobelpreis für Chemie 1996). In der Folgezeit stürzten sich unzählige Arbeitsgruppen auf die Erforschung der ungewöhnlichen Strukturen. Dabei fanden Wissenschaftler unter anderem heraus, dass bestimmte dotierte Fullerene supraleitend sind. Eines war bislang jedoch allen kugelartigen Molekülen gemeinsam: eine Hülle aus Kohlenstoffatomen.

Nun ist es Hidefumi Hiura und seinen Kollegen am Joint Center for Atomic Research in Japan gelungen, eine Anordnung aus Siliziumatomen, ganz ähnlich den Fullerenen, zu synthetisieren – ein Kunststück, das Forscher aufgrund der chemischen Natur des Siliziums bis dahin für unmöglich hielten. Anders als Kohlenstoff kann reines Silizium keine stabile geschlossene Struktur ausbilden. Die neuen Experimente zeigen aber, dass Siliziumatome um ein zentrales Metallatom einen Käfig bauen kann – silicon cage cluster genannt. Dabei hat eine Anordnung mit zwölf Siliziumatomen, die einen regelmäßigen sechseckigen Käfig um ein Wolframatom bilden, eine recht kleine Energie und ist deshalb stabil.

Silizium gehört bekanntermaßen zu den grundlegenden Materialien der Halbleiterindustrie und zu den best untersuchtesten Elementen überhaupt. Deshalb ist es gut möglich, dass ihm die gleichen Anwendungen offen stehen, wie man es von den Fullerenen erwartet. Mehr noch, die neuen Käfigstrukturen könnten die gut erforschten Kohlenstoffmoleküle in mancher Beziehung sogar übertrumpfen.

Die Forscher fanden unter anderem auch heraus, dass der Atomkäfig das Gastatom effektiv von der Außenwelt abschirmt. Deshalb könnten derartige Gebilde auch als Speicher für ein Qubit dienen – der kleinsten Informationseinheit eines Quantencomputers. Die Information würde auf den Spin des eingeschlossenen Metallatoms übertragen und wäre geschützt vor äußeren Einflüssen. Da die Wahl des Zentralatoms entscheidend die chemischen Eigenschaften des Käfigs bestimmt, ließen sich mit geeigneter Dotierung ganz neue nanostrukturierte Bauelemente oder spezielle Katalysatoren maßschneidern.

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